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Wasserstofferzeugung durch partielle katalytische Dehydrierung ausgewählter Komponenten von KerosinK. Pearson, G. Kraaij, W.K. Yoong

Jahrestreffen ProcessNet-Fachgruppe Energieverfahrenstechnik 19. März 2013

> Energieverfahrenstechnik > K. Pearson, G.Kraaij, W.K. Yoong > 13.03.2013www.DLR.de • Folie 1

Verfahrenskonzept zur Wasserstofferzeugung aus Kerosin Jet A1

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Partielle katalytische Dehydrierung (PkD)

Prozesssimulation in Aspenplus, Energetische Bewertung

zweier Verfahrenskonzepte

Experimentelle UntersuchungPkD von schwefelarmen Jet A1

und Fraktionen des Jet A1

Kerosin Fraktionierung PkD BZ-SystemGasreinigung

Institut für Technische Thermodynamik/ Abteilung für Thermische Prozesstechnik

Partielle katalytische Dehydrierung (PkD) für die Wasserstofferzeugung aus Kerosin Jet A1

www.DLR.de • Folie 3

Bedingungen Herausforderungen- H2 Reinheit ≥90vol-% - Rest Kohlenwasserstoffe C1 bis C3

- Kein CO oder CO2 im Produktgas

- Endotherme Reaktion

- Umsatz ca. 15%

- Reaktionstemperatur: 350ºC bis 500ºC

- Schwefelempfindlicher Katalysator- Jet A1 noch stark schwefelhaltig bis zu

3000ppm S- Dehydrierungsreaktion stark abhängig von KW-

Gruppe- Kerosin: Vielstoffgemisch

- Crackingreaktionen, Verkokung

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Partielle katalytische Dehydrierung (PkD) höherer Kohlenwasserstoffe

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Dehydrierung von Stoffgruppenkomponenten im Kerosin Jet A1

Stoffgruppe Reaktion 450°C Umsatz

n-Alkane C10H22 C10H20 + H2 ≥ 50%

Iso-Alkane C10H22 C6H12 + C2H6 + 2C + 2H2 ≥ 15%

Cylcloalkane C8H16 C10H10 + 3H2 100%

Aromat C10H14 C7H8 + C2H4 + H2 ≥ 2%

Prozesskonzepte für Systemsimulation mit Aspen plus


S-reduziertes Kerosin

Energetische Bewertung der Dehydrierung im Prozessmodell

Schwefelbehaftetes Kerosin

Konzept A Konzept B

Rektifikation1bar 200°C

Verdampfung

Partielle katalytische Dehydrierung (PkD)

Gasreinigung

Brennstoffzelle

CxHy CxHy-2z zH2+450°C; 5barKatalysator


∆ , 80

Charakterisierung von Kerosin und Kerosinfraktionen


Komplexes Vielstoffgemisch aus über 300 KomponentenSchwefelbehaftet (Katalysatorgift)

Kühler

Erhitzer

- Batch- Rektifikation

0

50

100

150

200

250

300

350

0

50

100

150

200

250

300

350

0 20 40 60 80 100 Schw

efel

konz

entr

atio

n [p

pm]

Verd

ampf

ungs

tem

p. [º

C]

destillierte Masse [gew.-%]

Verdampfungskurve von Jet A1 mit230ppm Schwefel

ASTM D 2887

Schwefelkurve

- Schwefelreduktion durch Rektifikation- Änderung der Stoffzusammensetzung


Modellgemisch für Kerosin und Kerosinfraktionen


Stoffgruppe 15 gew.-% Fraktion[Massenanteil %]

Modellgemisch[Massenanteil %]

Anzahl Komponenten

n-Alkane 24,13 42 3(Iso-Alkane) 22,85 4 1Cycloalkane 29,02 29 2

Aromaten 24,0 25 2

0

100

200

300

400

0 20 40 60 80 100

Tem

p. [°

C]

destillierte Masse gew.-%

Siedekurve Jet A1

Verdampfungskurve Petro Lab SimDis ASTM D 2887

Modellgemisch 15% Fraktion

- Bedingungen:

- Wiedergabe der chemischen Eigenschaften der Stoffgruppen

- Molare Masse

- Siedeverlauf


Modellgemisch für Kerosin und Kerosinfraktionen


Stoffgruppe S-arm[Massenanteil %]

Modellgemisch[Massenanteil %]

Anzahl Komponenten

n-Alkane 23,452

4(Iso-Alkane) 24,0 -Cycloalkane 23,8 21 2

Aromaten 28,8 27 3

0

100

200

300

400

0 20 40 60 80 100

Tem

p. [°

C]

destillierte Masse gew.-%

Siedekurve S-armes Kerosin

schwefelarmes Kerosin Modellgemisch


- Bedingungen:

- Wiedergabe der chemischen Eigenschaften der Stoffgruppen

- Molare Masse

- Siedeverlauf

Basis des Prozesskonzept: Dehydrierung mit Rektifikation ohne Wärmeintegration: ≈ 1kWel.


PSA

HFraktion-H2

BZ

Q1 Q2 Q3QReaktorWPumpe

HKerosin

HSumpfQReboiler HcxHy

∆ 8050 kg/h

ŋ % ŋ %

1,16kWel.

Abbildung des Kerosin mit

Pseudokomponenten

„Switch“, , Modellgemisch


450ºC, 5bar200ºC, 1bar

Prozesskonzept: Simulation und Energetische Bewertung – Wärme- und Stoffintegration


. , %

mit Rektifikation


QMethan/KW QReboiler QKerosin

QFraktion-H2

QSumpf

QH2

Wpumpe

Heizwertverlust des Kerosin 0,42%

160 10,7%

14151617181920

0 20 40 60 80Wirk

ungs

grad

el.

[%]


Systemeffizienz mit Rektifikation

Einfluss der Rektifikation auf Wirkungsgrad


0,00,51,01,52,02,5

0 20 40 60 80 100

kW/[k

g Fra

ktio

n/h]


Wärmeleistung Reboiler Rektifikation mit Vorwärmung des Kerosins

160nlH2/kgFraktion

- Änderung der Stoffgruppenzusammensetzung wurde noch nicht berücksichtigt- maximale Systemeffizienz wird von maximaler H2-Ausbeute beschränkt

Wärmeintegriertes Systemmodell mit Rektifikation


Prozesskonzept: Simulation und Energetische Bewertung - Wärme- und Stoffintegration


. , %

S-reduziertes Kerosin


ULSK1 ABGAS4ULSK2

ABGAS2

MOD-ULSK

FEED

PRODUKT

-0,964

QREACT

ULSKULSKP1

12

W

PRODAUS

METHAN

LUFT4 ABGASLUFT

ABGAS3

PSA

CH

HYDROGEN

BRENNST

ABGASOUT

PEM BZ

WT2

SWITCHREAKTOR

P1 WT1

BRENNERWT4WT3

KUEHLER

SEP

WT5

QKerosin-H2

QH2

QMethan/KW QKerosin Wpumpe

Teststand zur partiellen katalytischen Dehydrierung


- Reaktortemp. 350ºC bis 500ºC- Druckbereich: max. 9 bar- Masse Katalysator: bis 6,5 g- Massenstrom Feed bis max. 100 g/h- Kondensator Temperatur: -10ºC- Gaskonzentrationen: H2, CH4, C2H6, C2H4, C3H8, C4H10

Feedgas

Spühlgas

Synthetische Luft

Reaktor

Kondensator

AnalyseVerdampferFeed


Untersuchungen zur PkD von S-reduziertes Kerosin – Erfassung der Betriebsbedingungen


- Katalysator: Pt/Sn auf γ-Al2O3 Pellets

- Variation Temperatur, Druck, Kontaktzeit, Co-Feed von Wasserstoff 7 %-mol

- Betriebstemperatur Auswahl 450°C (aus Versuchsreihe)


0

40

80

120

160

20 60 100 140 180 220 260 300

[nl H

2/kg F

eed]

Zeit[min]

H2 Ausbeute

0,175 0,1617

0,612

0,2216

0

0,2

0,4

0,6

0,8

- - - H2CoFeed

1,4sec 1,4sec 4sec 4sec

1bar 5bar 5bar 5bar

(100

*gTC

/gFe

ed)

[%]

Kohlenstoff pro Feed

Untersuchungen zur PkD von S-reduziertes Kerosin und Kerosinfraktionen


- Betriebsbedingungen 450°C, 5 bar, 4 sec Kontaktzeit, H2 Co-Feed

0

40

80

120

160

20 60 100 140 180 220 260 300

[nl H

2/kg F

rakt

ion]

Zeit [min]

H2-Ausbeute

4 ppmS/ 5 gew.-% 8 ppmS/10 gew.-%24ppmS/ 30 gew.-% 3 ppmS/ S-armes Kerosin

Zeit [min]


50

60

70

80

90

100

20 60 100 140 180 220 260 300

[vol

-%]

Zeit [min]

H2 Reinheit

0%

20%

40%

60%

80%

100%

5 gew.-% 5 gew.-%PkD

Are

a-%

Stoffgruppenzusammenstzung

CycloalkaneAromatIso-Alkanen-Alkane

Untersuchungen zur PkD von S-reduziertes Kerosin und Kerosinfraktionen


- PkD von 5 gew.-% Fraktion (4ppm Schwefel)- Vergleich der Stoffgruppenzusammensetzung vor und nach PkD

0

40

80

120

160

20 60 100 140 180 220 260 300

[nl H

2/kg F

rakt

ion]

Zeit [min]

Ausbeute


VerkokungsproblematikUntersuchung mit S-reduziertes Kerosin


- Optimierung Teststand (Verdampfung, Reaktionsbett-Geometrie)

- Anfahrstrategie des Versuchs


50

60

70

80

90

100

20 60 100 140 180 220 260 300vo

l-%Zeit [min]

H2 -Reinheit


0,2216

0,1615

0

0,1

0,2

0,3

vor Umbau nach Umbau

(100

*gTC

/gFe

ed)

[%]

Kohlenstoff pro Feed

VerkokungsproblematikUntersuchung mit S-reduziertes Kerosin


- Optimierung Teststand (Verdampfung, Reaktionsbett-Geometrie)

- Anfahrstrategie des Versuchs


50

60

70

80

90

100

20 60 100 140 180 220 260 300vo

l-%Zeit [min]

H2 -Reinheit


CH4; 49,3C2H6; 33,2

C3H8; 17,5

Mittlere Zusammensetzung der gasförmigenKohlenwasserstoffe % über 5h

vor Umbau

CH4; 42,2

C2H4; 3,7

C2H6; 30,8

C3H8; 21,5

C3H6; 2,0

nach Umbau

Zusammenfassung


Größter Energiebedarf des Systems für Beheizung und Überhitzung von Kerosin/Kerosindampf

Experiment:

- Wasserstoffreinheit des Produktgases ≥ 95%

- Wasserstoffausbeute 110nlH2/kgFeed Einbruch bis 40nlH2/kgFeed

- PkD von Kerosin stark Verkokungsanfällig

- Verdampfung von Kerosin relevant für Produktgasreinheit und Verkokung

- Dehydrierung abhängig von Stoffgruppen im Kerosin

18,5

31,8

mit Rektifikation

S-armes Kerosin

el. Systemwirkungsgrad [%]

Ausblick


Experiment:

- Untersuchung von ausgewählten Einzelkomponenten und Modellgemischen

- Bewertung der Stoffgruppen:

- Verkokung, Produkte, Ausbeute, Betriebsbedingungen

Systemsimulation:

- Integration von Reaktionen der Einzelkomponenten als Vertreter der Stoffgruppen

- Produktgaszusammensetzung

- Ausbeute

- Angepasste Betriebsbedingung

- Berücksichtigung von Wärmeverlusten

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Fragen?

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